盾构滚刀磨损在线检测系统设计

盾构刀具磨损检测一直是盾构施工过程中的一个难题。在盾构机掘进过程中,无法直接测量刀具的磨损量,这就给刀具的视情换刀带来了巨大的困难。针对盾构施工时的刀具磨损检测,设计了盾构滚刀磨损在线检测系统。其中,下位机采用电涡流传感器对盾构滚刀的磨损进行检测,将电涡流传感器采集到的电信号转换为数字信号后通过串行通信方式与上位机通信;上位机利用C#编程语言开发了盾构滚刀磨损检测软件系统,将下位机采集到的信号进行处理与计算并显示出刀具的磨损量。通过对盾构滚刀磨损的实时测量,从而及时准确地掌握滚刀的磨损状态,为"视情换刀"提供技术支持。     

基于正交试验的盾构刀具磨损分析

刀具磨损检测是盾构在复合地层施工中的一个重要研究课题。针对在盾构掘进时刀盘外圈刀具的磨损检测问题,采用正交试验法对掘进参数分析刀具磨损的方法进行了改进,建立了刀具磨损量计算的新模型。分析了掘进过程中总推力、刀盘转速、泡沫注入量对刀具磨损量的影响度,并对计算模型进行了显著性检验。最后,利用盾构施工实测数据对该计算模型进行了验证。研究结果表明,该模型计算的刀具磨损的检测结果与实际换刀是吻合的,并且可以对掘进参数的设置进行指导,以提高掘进效率。     

盘形滚刀与岩石相互作用研究综述

研究目的:盘形滚刀是一种重要破岩刀具,主要用在掘进机(TBM)、复合式盾构及岩石盾构的刀盘上。研 究盘形滚刀与岩石相互作用对于分析盘形滚刀破岩机理、指导刀盘刀具设计、提高破岩效率与掘进性能及降低 能耗都具有重要的理论意义和实用价值。 研究方法:文献综合分析和研究。 研究结果:扼要分析了隧道掘进机盘形滚刀破岩的基本原理、滚刀的截面形式及几何参数,并就滚刀与岩 石相互作用机理、滚刀破岩力、掘进性能预测等方面,对国内外具有代表性的研究成果进行了综述。 研究结论:指出影响盘形滚刀与岩石相互作用的因素主要有机械因素和地质因素。     

砂卵石地层撕裂刀布置对刮刀磨损的影响研究

研究目的:砂卵石地层空间分布不均、磨蚀性强,盾构在该类地层中开挖时经常出现掘进效率低、刀具磨损严重的情况,为实现砂卵石地层盾构安全高效掘进,开展撕裂刀布置对刮刀的磨损影响研究。本文以北京新机场线"磁一"区间工程为背景,根据区间砂卵石地层分布特征及刀具磨损的保护需要,对撕裂刀及刮刀进行分区、分层布置设计,提出三种组合布置模式;开展盾构现场原位试验,利用现场观测断面及监测断面,对盾构掘进过程中刀具的磨损状态进行跟踪测试与分析。研究结论:(1) B模式刀具布置可以有效降低刮刀的磨损,刀具布置时应优先选用此模式;(2)撕裂刀对刮刀的保护作用随着距离的增加迅速减小,有效保护距离为单倍刀宽;(3)该研究结果可为砂卵石地层盾构刀具的布置提供理论依据及参考。     

沿海复合地层泥水盾构施工适应性分析

以沿海广深港客运专线狮子洋隧道为工程依托,分析软土地层、软硬不均地层、全断面硬岩地层、断层破碎带4种典型地层条件下,大直径盾构隧道掘进中遇到的问题。结果表明:软土地层适合采用泥水平衡盾构掘进,掘进速度较快;在软硬不均地层中掘进时须对边刀间距进行优化并适当调整刮刀与滚刀的高差;全断面硬岩地层中掘进速度较慢,刀具磨损严重;在断层破碎带施工时须加强刀盘驱动系统和推进系统的最大承受荷载,根据地层变化不断优化掘进参数,维持掌子面的泥水压力,保证复杂地质条件及恶劣工况下盾构的掘进。研究结果对类似工程特别是沿海地区盾构隧道施工有借鉴意义。     

深圳地铁岩质地层双模盾构卡机原因及对策研究

深圳地铁双模盾构在开挖岩质地层时，发生了多起卡机事故。为研究双模盾构卡机原因，并提出相应的预防处置措施，开展现场调研，统计了卡机位置的地质特征、盾构掘进参数和刀具磨损情况。结果表明：(1)双模盾构卡机与掘进模式及断面埋深有关，卡机主要发生在采用土压模式掘进的硬岩地层中，卡机断面均位于中等和大埋深位置；(2)卡机发生前，掘进参数出现异常变化，总顶推力显著提升，刀盘扭矩随之降低，盾构掘进速率缓慢下降，在卡机前短时间内剧烈减小直至为0;(3)边滚刀偏磨引起的扩挖间隙减小是造成卡机的主要原因，边滚刀在阻力矩作用下停止转动，其承受的滚动摩擦转变为滑动摩擦，刀具磨损速率上升产生偏磨，开挖直径随之减小；(4)垫高边滚刀能增大扩挖尺寸，对卡机进行预防，当卡机发生后，应依次采取减小盾壳摩阻力、提升顶推力和增大扩挖间隙的方法使盾构脱困。     

富水砂卵石地层盾构换刀方案

成都地铁1号线盾构隧道工程主要穿越地层为砂卵石地层,砂卵石对盾构机的刀具磨损较为严重,为保证盾构掘进的正常进行,需要频繁更换刀具。通过对成都地铁1号线施工中的几种盾构换刀方案进行比较,提出了富水砂卵石地质情况施工中合理换刀方案。     

盾构长距离穿越上软下硬富水石灰岩地层施工技术

长距离穿越上软下硬富水石灰岩地层一直是盾构施工的难题,掘进过程中刀具磨损严重、突遇溶洞、螺旋机喷涌、频繁带压开仓换刀,严重影响掘进速度并存在极大的安全隐患。徐州市地铁2号线百果园站-拖龙山站盾构区间有420m连续长距离穿越上软下硬富水石灰岩地层,对施工进度、组织效率、工程安全均提出了较高要求。基于此,本文对盾构机刀盘刀具进行设计优化、螺旋机出土口防喷涌改造、优化掘进参数有效地控制刀具磨损,最后顺利完成本区间的施工任务并取得良好效果。     

盾构长距离穿越孤石群掘进技术

盾构掘进过程中遇到强度高、直径较大的孤石时,因其与周围地层地质差异大,造成盾构掘进困难,刀盘刀具磨损大,易引发地面塌陷等安全事故。广州地铁14号线支线知识城线盾构区间施工中,采取多种技术措施直接通过多个孤石群,降低了刀盘、刀具磨损量,区间掘进1 200 m不换刀,安全、顺利、高质量地完成了盾构区间施工,为类似工程施工提供了参考依据。     

武汉三阳路越江盾构复合地层 施工关键技术研究与应用

详细阐述武汉三阳路长江隧道工程越江盾构在粉细砂、泥岩与砾岩复合地层中所碰到的掘进困难和刀具 磨损严重的难题,通过对掘进困难、刀具磨损严重的原因分析,主要从盾构掘进参数、刀具配置、泥饼消除与防 治等方面着手进行研究与实践,形成武汉三阳路长江隧道复合地层盾构施工关键技术措施,从而解决粉细砂、泥 岩与砾岩复合地层盾构施工的难题,同时也提出后续同类工程的改进方法。     

基于滑移线场的土压平衡盾构刀具切削扭矩研究

为了较合理地估算刀盘的切削扭矩,对刀盘2种主要刀具即切刀和滚刀的切削扭矩进行研究:首先基于塑性力学中滑移线场,对滚刀和切刀分别建立与其切削机制相对应的塑性力学模型,推导具体的表达式;然后,根据盾构刀具的配置参数及红层掘进参数对刀盘的切削扭矩进行计算,分项求和得到刀盘总扭矩。最后对刀盘计算总扭矩与施工实测总扭矩相比较,并分析理论计算模型存在的误差原因。研究结果表明:滚刀在红层中受均匀磨损,磨损量小,刀盘扭矩的实际装备系数为3.2,有一定的富余。研究结果可为盾构刀盘的设计、施工提供参考。     

砂卵石地层盾构刀具磨损测试分析

结合砂卵石地层盾构区间工程掘进,对盾构施工时的刀具磨损情况进行了现场测试,计算出土压平衡盾构在砂卵石地层施工时各种刀具的磨损系数.运用统计回归分析,总结出砂卵石地层盾构刀具磨损与其掘削迹长的关系,推算出砂卵石地层盾构不换刀可掘进的最长距离,可为后续类似工程施工提供参考.     

厦门越海隧道盾构施工若干技术难题及对策

针对厦门2号线越海段盾构施工过程中出现掘进参数异常、刀具磨损严重及异常失效、堵管等工程难题,通过地质补勘,发现局部存在极硬而多裂隙的破碎带复杂地层。基于此,对越海隧道盾构施工技术进行探讨研究,创造性地提出了海上注浆加固技术,并对刀盘上的滚刀结构进行重新设计。后续施工过程刀盘推力恢复至21 000~22 000 kN之间,掘进速度维持在2~4 mm/min,达到正常掘进水平,同时降低了刀具的异常磨损和消耗。有效解决了盾构海底穿越破碎带复杂地层的难题,使得盾构顺利掘进,可为后续类似盾构越海施工提供指导。     

基于离散元数值模拟的砂卵石地层盾构掘进刀盘磨损特性研究

砂卵石地层由大量颗粒组成,其本质是离散的、非连续的,属于典型的不稳定地层,颗粒之间孔隙大,无黏聚力,单轴抗压强度普遍较高,刀盘旋转切削时,刀盘与颗粒摩擦非常剧烈,刀盘磨损严重。为研究砂卵石地层盾构掘进刀盘磨损特性,依托兰州市轨道交通1号线,采用颗粒流离散元软件EDEM,研究不同刀盘形式和覆土厚度下盾构机刀具磨损特性。结果表明,刀具磨损不均匀,主要体现在刀盘外围刀具磨损严重,中心处刀具磨损较小。相同掘进参数条件下,辐条式刀盘磨损较小,为面板式的0.7~0.8倍;覆土1.5D(D为盾构机外径)时刀具磨损量约为覆土1 D时的1.15倍。     

全断面硬岩及地层转换时地铁盾构隧道掘进参数分析与优化控制

针对某地铁区间地层为全断面硬岩、软硬混合地层及残积土层复合地层条件下盾构施工遇到的技术难题,通过盾构掘进参数分析,得到了硬岩段及地层转换时施工参数的变化规律。通过采取刀具优化配置、合理安排刀具更换时机、掘进模式选择、掘进参数合理匹配、同步注入泡沫及跟踪二次注浆等措施,实现了在硬岩段间杂软弱岩的地层中及软硬岩地质界面处盾构快速、安全掘进施工,拓宽了盾构的应用领域。     

砂卵石地层盾构长距离掘进先行刀优化配置研究

针对砂卵石地层盾构长距离掘进工程特点,提出先行刀多维度梯次布置的设计理念,"多维度"保证了长距离掘进中刀盘受力稳定,不同刀高的先行刀梯次布置使其合金块之间搭接形成合金块磨损接力。同时优化先行刀合金块的耐磨及耐撞击性能,避免在长距离掘进中存在的刀具冲击疲劳失效。依托北京新机场线"磁1"区间盾构工程,通过方案比选得到最终刀盘设计方案,并对掘进过程中掘进刀具磨损数据与掘进参数进行深入分析。数据分析结果表明:多层先行刀布置的盾构砂卵石地层长距离掘进可分为高刀犁松和高低刀共同犁松两个阶段,高刀犁松阶段"梯次化"布置的高刀降低了低刀的磨损系数,高低刀共同犁松阶段在一定距离内继续维持掘进效率,有效延长掘进距离。     

复合地层下盾构掘进速度与掘进参数匹配关系研究

在盾构隧道施工过程中,为了有效提高掘进效率、保持开挖面稳定、减少刀具磨损,需根据实际地质情况,正确选择合适的掘进参数。文章以穗莞深城际轨道交通线隧道工程为背景,针对隧道工程所处复合地质的特点,采集并分析掘进参数,得到复合地层条件下掘进速度的非线性模型,进而分析得出在复合地层中掘进速度与掘进参数的相关性。研究结果表明,在复合地层中,掘进速度与总推力、贯入度、刀盘转速、刀盘扭矩之间存在非线性关系,且掘进速度与总推力、贯入度和刀盘转速成正比例关系;复合地层软土掘进建议采用低转速小推力组合,在复合地层软岩掘进中建议采用高转速大推力组合。研究结果可为复合地层下盾构掘进参数的设定提供参考,具有重要的工程价值。     

卵石层中长距离大直径盾构换刀地面加固研究

研究目的:卵石层中长距离大直径盾构掘进是盾构施工的世界性难题。某工程采用一台12 m的大直径盾构独头掘进5.2 km,卵石地层中盾构掘进,刀具(盘)磨损严重,须有计划地设置盾构停机点和对盾构刀盘进行全面检修并更换刀具,为确保施工安全,需对配套的地面加固措施进行研究。研究结论:无论是带压进仓作业,还是常压进仓作业,为确保施工安全,都需采取辅助的地面加固措施,以提高盾构机周围地层的稳定性和密实性;带压进仓换刀,可采用后退式分段注浆地面加固措施;常压进仓换刀,可采用钻孔桩+桩间注浆地面加固措施。     

基于神经网络的双模盾构复合地层掘进参数预测模型

依托深圳市轨道交通12号线怀德站-福永站区间隧道工程，基于EPB/TBM双模盾构穿越地质参数和现场掘进监测数据，采用BP神经网络方法建立双模式盾构掘进参数预测模型，分别对地层参数及掘进模式进行量化，将刀盘扭矩、刀盘转速、螺旋机转速、总推进力、隧道埋深、围岩等级、岩石单轴饱和抗压强度及不同掘进模式作为输入参数，预测出在不同掘进模式及不同地层条件下的设备掘进速率，针对3类典型地层的预测结果进行可视化分析验证，并对预测模型精度进行改进分析。结果表明：神经网络预测模型在TBM模式下的微风化段平均相对误差为8.6%,EPB模式下的强风化段平均相对误差为10.6%,EPB模式下的中风化段平均相对误差26.2%;该模型对强风化段及微风化段等地层强度变化较为稳定的地层预测精度较高，同时，该预测模式适用于22个隐层神经元并对掘进速率采用直接放缩的方法。     

汕头市苏埃过海通道 泥水盾构针对性措施

结合汕头市苏埃通道的工程概况,分析出本工程存在高水压进仓作业困难、三段基岩凸起段掘进困难、浅覆土软弱地层压力控制精度要求高、刀盘结泥饼等工程施工重难点,提出相应的针对性措施。盾构机采用常压换刀刀盘设计,提高高水压环境下的换刀作业安全性及换刀效率;主驱动具备伸缩摆动功能,方便常压刀盘在硬岩地层中正面滚刀及边滚刀的更换;对泥浆循环系统进行针对性设计,降低盾构机堵仓滞排、刀盘结泥饼等风险。